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Die Erfindung betrifft eine Generatorvorrichtung, insbesondere zur Bereitstellung einer im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs benötigten Gleichspannung.
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Stand der Technik
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Es ist bereits bekannt, die Ausgangsspannung eines Generators mittels eines Generatorreglers zu regeln. Die Ausgangsspannung eines Generators ist abhängig von mehreren Einflussgrößen, zu denen die Drehzahl, die elektrische Belastung im Bordnetz, der Ladezustand der Starterbatterie und die Temperatur gehören. Um eine konstante Spannung im Bordnetz zu erzeugen, regelt der Generatorregler die Ausgangsspannung des Generators innerhalb vorgegebener Grenzen. Diese Regelung erfolgt über eine Anpassung des durch die Erregerwicklung des Generators fließenden Erregerstromes. Zur Anpassung des Erregerstromes wird eine Änderung des Tastverhältnisses eines von der Reglersteuerung bereitgestellten PWM-Ansteuersignals durchgeführt.
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Bei Verwendung eines High-Side-Transistors als Schalttransistor des Generatorreglers wird der Erregerstrom von einem Gleichspannungsversorgungsanschluss B+ abgenommen und über den Transistor zur Erregerwicklung geführt. Der zweite Anschluss der Erregerwicklung ist mit Masse verbunden.
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Die an den Phasenspannungsanschlüssen U, V und W des Generators erzeugten Wechselspannungen werden in einer mehrere Zweige aufweisenden Gleichrichteranordnung gleichgerichtet und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs bereitgestellt und auch dem genannten Gleichspannungsversorgungsanschluss des Generatorreglers zugeleitet.
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Des Weiteren ist der Generatorregler auch mit einem der Phasenspannungsanschlüsse des Generators verbunden, um eine der Phasenspannungen des Generators auszuwerten.
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US 2003 / 0 075 997 A1 zeigt ein Wechselstromgeneratorsystem mit einer Wechselspannungsquelle, das einen Schaltgleichrichter umfasst, der mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist und einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit einem Ausgang des Wechselstromgeneratorsystems verbunden ist, sowie eine Steuerung, die mit dem Schaltgleichrichter verbunden ist, um eine gesteuerte Impulsfolge bereitzustellen, die mit der Rotorwinkelposition der Wechselspannungsquelle synchronisiert ist, um den Schaltgleichrichter zu aktivieren und zu deaktivieren.
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US 4 409 539 A zeigt ein Ladesystem zum Verstärken von AC-Ausgangsspannungen, die in mindestens einer Statorwicklung eines Wechselstromgenerators durch Restmagnetismus eines Rotors aus kohlenstoffarmem Stahl induziert werden, um das Ladesystem durch den Restmagnetismus bei niedrigen Motordrehzahlen selbst zu erregen. Ein elektronischer Spannungsregler reagiert auf kleine AC-Ausgangsspannungen von der Statorwicklung, selbst unterhalb der Spannungsniveaus, die zum Vorspannen eines Silizium-Halbleiterübergangs in Durchlassrichtung erforderlich sind, um die Feldwicklung des Generators vollständig zu erregen. Da der Spannungsregler auf das Lichtmaschinensignal reagiert, das bei niedriger Motordrehzahl entsteht, kann der Regler auch als Sensor verwendet werden, um einen Betriebszustand des Motors anzuzeigen, beispielsweise den Start.
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DE 42 25 515 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erhöhung der Generatorausgangsspannung in Kraftfahrzeugen mit einem Generator, bestehend aus einer Erregerspule, einem Statorwicklungssystem mit Ausgangsleitungen zu Gleichrichtdioden und einem Spannungsregler, wobei an die Ausgangsleitungen des Statorwicklungssystems Massepotential schaltbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Generatorvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die im Generatorregler auftretende Verlustleistung niedrig bleibt, so dass der thermisch empfindliche Generatorregler nicht unzulässig hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Des Weiteren wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Stromableitelemente erreicht, dass der Gleichstromanteil der dem Generator zugeführten Phasenspannung in einem vorgegebenen, vergleichsweise kleinen Spannungsbereich bleibt, so dass der Generatorregler den dem Gleichstromanteil überlagerten Wechselanteil exakt erfassen kann.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften einer Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung.
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Zeichnung
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- Die 1 zeigt ein Schaltbild einer Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
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Die 1 zeigt eine Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Generatorvorrichtung 11 weist einen Generatorregler 1 und eine Generatoreinheit 10 auf, die an ihrem Ausgang eine Versorgungsgleichspannung für das Bordnetz 12 eines Kraftfahrzeugs bereitstellt.
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Die Generatoreinheit 10 weist einen Generator 2 und eine Gleichrichteranordnung 9 auf. Der Generator 2 enthält eine Erregerwicklung 5 und nicht näher dargestellte Phasenwicklungen, die beispielsweise in Form einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind. Der Generator 2 stellt an seinen Phasenspannungsanschlüssen U, V und W Wechselspannungen zur Verfügung, die der nachgeschalteten Gleichrichteranordnung 9 zugeführt werden.
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Die Gleichrichteranordnung 9 enthält drei Zweige, von denen jeder eine Reihenschaltung zweier Dioden aufweist und einem anderen der Phasenspannungsanschlüsse des Generators zugeordnet ist.
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Der Phasenspannungsanschluss U des Generators 2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D4 des ersten Gleichrichterzweigs verbunden. Der Phasenspannungsanschluss V des Generators 2 ist an einen Verbindungspunkt zwischen den Dioden D2 und D5 des zweiten Gleichrichterzweigs angeschlossen. Der Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D6 des dritten Gleichrichterzweigs verbunden.
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Die Kathoden der Dioden D4, D5 und D6 sind miteinander verbunden. Dort wird die Ausgangsgleichspannung der Generatoreinheit 10 bereitgestellt und an das Bordnetz 12 weitergegeben. Die Anoden der Dioden D1, D2 und D3 sind ebenfalls miteinander verbunden und liegen auf Masse.
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Der Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 steht des Weiteren über einen Anschluss X des Generatorreglers 1 mit der Reglersteuerung 7 des Generatorreglers 1 und über ein Stromableiteelement R3 und eine Masseverbindung 3 des Generatorreglers mit Masse 4 in Verbindung.
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Der Phasenspannungsanschluss U des Generators 2 und damit auch der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D4 des ersten Gleichrichterzweiges steht über ein Stromableitelement R1 mit Masse in Verbindung. Dabei ist das Stromableitelement R1 parallel zu der Diode D1 des ersten Zweigs der Gleichrichteranordnung 9 geschaltet.
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Der Phasenspannungsanschluss V des Generators 2 und damit auch der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D2 und D5 des zweiten Zweiges der Gleichrichteranordnung 9 steht über ein Stromableitelement R2 mit Masse in Verbindung. Dabei ist das Stromableitelement R2 parallel zu der Diode D2 des zweiten Zweiges der Gleichrichteranordnung 9 geschaltet.
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Der Generatorregler 1 weist einen Betriebsspannungsanschluss B+ sowie weitere Anschlüsse DF, D- und X auf. Des Weiteren enthält der Generatorregler eine Reglersteuerung 7, welche mit einer Auswertelogik versehen ist. Die Reglersteuerung 7 ist dazu vorgesehen, einem Schalttransistor 6 ein PWM-Ansteuersignal zur Verfügung zu stellen. Die Reglersteuerung 7 ist weiterhin mit dem Betriebsspannungsanschluss B+ und über die Masseverbindung 3 mit Masse 4 verbunden. Ferner steht die Reglersteuerung 7 mit dem Anschluss X des Generatorreglers 1 in Verbindung, um ein vom Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 abgeleitetes Phasenspannungssignal zu empfangen.
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Darüber hinaus weist die in der 1 gezeigte Vorrichtung einen Erregerstromkreis auf. Dieser verläuft vom Betriebsspannungsanschluss B+ des Generatorreglers 1 über den Schalttransistor 6 des Generatorreglers, den Anschluss DF des Generatorreglers, die Erregerwicklung 5, den Anschluss D- des Generatorreglers und die Masseverbindung 3 nach Masse 4. Zwischen die Anschlüsse D- und DF des Generatorreglers 1 ist eine Freilaufdiode 8 geschaltet.
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Die Reglersteuerung 7, welche mit dem Betriebsspannungsanschluss B+ und über den Anschluss X mit dem Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 verbunden ist, steuert den Schalter 6 derart an, dass ein jeweils gewünschter Erregerstrom durch die Erregerwicklung 5 fließt.
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Untersuchungen haben ergeben, dass durch die Gleichrichteranordnung 9 auch im Stillstand der Vorrichtung nicht vernachlässigbare Sperrströme fließen. Diese sind in der 1 mit i1, i2 und i3 bezeichnet.
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Dies kann dann zu Problemen führen, wenn dem Generator 2 keine oder nur eine sehr kleine Leistung entnommen wird. In diesem Fall sind die Spannungen an den Phasenwicklungen des Generators kleiner als die Betriebsspannung, die der Bordnetzspannung entspricht. Dieser Fall tritt typischerweise während eines Fahrzeugstarts bzw. eines Generatorstarts auf.
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Da die durch die Dioden fließenden Sperrströme streuen, könnte dies dazu führen, dass die Spannung am Eingang des Generatorreglers den beiden folgenden Effekten unterworfen ist:
- Zum einen driftet bei geeigneter Verteilung der Sperrströme der Gleichspannungsanteil in Richtung der Betriebsspannung. Beispielsweise führen die oberen Dioden der Gleichrichteranordnung 9 vergleichsweise hohe Ströme, die unteren Dioden der Gleichrichteranordnung 9 hingegen vergleichsweise niedrige Ströme. Viele am Markt erhältliche Generatorregler-Implementierungen besitzen einen eingeschränkten Auswertebereich der Phasenspannung. Verlässt die dem Generatorregler zugeführte Phasenspannung diesen eingeschränkten Auswertebereich, dann ist eine korrekte Erfassung der Phasenspannung nicht mehr möglich. Insbesondere bei einem Vorliegen eines hohen Gleichspannungsanteils führt dies zu Problemen, beispielsweise dazu, dass eine korrekte Erfassung der Wechselspannung aufgrund eines Verlassens des Auswertebereiches nicht mehr erfolgen kann. Eine Folge davon wäre beispielsweise ein nicht zufriedenstellendes Angehverhalten des Reglers.
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Des Weiteren könnte es bei einem Vorliegen von vergleichsweise kleinen Phasenspannungen aufgrund der Dimensionierung des Stromableiteelementes R3 und dem Gleichspannungsanteil der Phasenspannung dazu kommen, dass der Wechselspannungsanteil der Phasenspannung sehr klein ist. Auch dies könnte dazu führen, dass eine korrekte Erfassung dieses Wechselspannungsanteils nicht mehr erfolgen kann.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird bei der vorliegenden Erfindung dafür gesorgt, dass die dem Generatorregler 1 zugeführte Phasenspannung in einem Bereich liegt, in welchem die am Markt erhältlichen Generatorregler die Phasenspannung korrekt erfassen können.
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Dies wird durch die bereits genannten Stromableitelemente R1 und R2 erreicht. Dabei ist das Stromableitelement R1 zwischen den Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden D1 und D4 des ersten Gleichrichterzweiges und Masse geschaltet. Folglich ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel der Phasenspannungsanschluss U des Generators 2 über eine Parallelschaltung des Stromableitelementes R1 mit der Diode D1 mit Masse verbunden. Des Weiteren ist das Stromableitelement R2 zwischen den Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden D2 und D5 des zweiten Gleichrichterzweiges und Masse geschaltet. Folglich ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel der Phasenspannungsanschluss V des Generators 2 über eine Parallelschaltung des Stromableitelementes R2 mit der Diode D2 mit Masse verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D6 des dritten Gleichrichterzweiges ist - wie bereits oben ausgeführt wurde - über das Stromableitelement R3, welches im Generatorregler 1 angeordnet ist, mit Masse verbunden.
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Die Stromableitelemente R1 und R2 sind vorzugsweise als Ohmsche Widerstände realisiert, für deren Widerstandswerte die folgende Beziehung gilt: 50Ω ≤ R ≤ 10Ω.
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Alternativ dazu können die Stromableitelemente auch in Form von gesteuerten Transistoren oder in Form von Spulen realisiert sein.
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Die Dimensionierung der Stromableitelemente muss in jedem Fall derart gewählt werden, dass eine Ableitung von ausreichenden Anteilen der fließenden Sperrströme nach Masse gewährleistet ist.
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Ist auf diese Weise für eine Ableitung von ausreichenden Anteilen der Sperrströme gesorgt, dann ist auch sichergestellt, dass die dem Generatorregler 1 zugeführte Phasenspannung in einem Bereich liegt, in welchem die am Markt befindlichen Generatorregler die Phasenspannung stets korrekt erfassen können.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Teil der auftretenden Verlustleistung nicht im thermisch empfindlichen Generatorregler gebildet wird, sondern in thermisch eher unkritischen Ableitelementen, die außerhalb des Generatorreglers angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die Ableitelemente R1 und R2 als Ohmsche Widerstände realisiert und in der Generatoreinheit 10 positioniert. Dort können sie entweder Bestandteil der Gleichrichteranordnung 9 oder Bestandteil des Generators 2 sein. Beispielsweise können sie in eine Schutzkappe des Generators 2 eingesetzt sein.
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Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die maximal auftretende Verlustleistung reduziert ist und dass das Verhalten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung auch im Grenzbereich ein besseres Verhalten aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wechselspannung durch die höheren Widerstände weniger einbricht und deutlich höhere Werte annimmt. Arbeitet man im Unterschied zur Erfindung nur mit dem Widerstand R3 im Generatorregler, dann müsste dieser aufgrund der oben beschriebenen Diodensperrströme sehr niederohmig sein, d. h. Widerstandswerte im einstelligen Ohmbereich aufweisen. Dies wäre mit entsprechenden Verlusten im Betrieb verbunden. Beispielsweise würde bei einem Gleichspannungswert von 28V im Generatorregler eine Verlustleistung im zweistelligen Wattbereich auftreten, was zu großen Problemen in der Praxis führen würde.
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Im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein dreiphasiger Wechselspannungsgenerator beschrieben. Die Erfindung kann aber auch im Zusammenhang mit Wechselspannungsgeneratoren verwendet werden, die mehr als drei Phasen aufweisen.
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Des Weiteren weist beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel jeder Gleichrichterzweig zwei in Reihe geschaltete Einzeldioden auf. Gemäß anderer, nicht in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele können diese Einzeldioden auch jeweils durch eine Parallelschaltung mehrerer Dioden ersetzt werden, um eventuellen Problemen im Hinblick auf die Strombelastbarkeit einer Einzeldiode gerecht zu werden.